Los polímeros sintéticos son omnipresentes:nailon, poliéster, Teflón y epoxi, por nombrar solo algunos, y todos estos polímeros son largos, estructuras lineales que se enredan en estructuras imprecisas. Los químicos siempre han soñado con fabricar polímeros con dos dimensiones, estructuras en forma de cuadrícula, pero este objetivo ha demostrado ser un desafío.

Los primeros ejemplos de tales estructuras, ahora conocidos como marcos orgánicos covalentes (COF), fueron descubiertos en 2005, pero su calidad ha sido mala y los métodos de preparación no están controlados. Ahora, un equipo de investigación de la Northwestern University es el primero en producir versiones de alta calidad de estos materiales, demuestran sus propiedades superiores y controlan su crecimiento.

Los investigadores desarrollaron un proceso de crecimiento de dos pasos que produce polímeros orgánicos con cristalinos, estructuras bidimensionales. La precisión de la estructura del material y el espacio vacío que proporcionan sus poros hexagonales permitirán a los científicos diseñar nuevos materiales con propiedades deseables.

Incluso los COF de baja calidad han demostrado ser una promesa preliminar para la purificación del agua, almacenar electricidad, Armadura corporal y otros materiales compuestos resistentes. Una vez desarrollado más, Las muestras de mayor calidad de estos materiales permitirán que estas aplicaciones se exploren más a fondo.

"Estos marcos orgánicos covalentes llenan un vacío de un siglo en la ciencia de los polímeros, "dijo William Dichtel, un experto en química orgánica y de polímeros que dirigió el estudio. "La mayoría de los plásticos son largos, estructuras lineales que se enredan como espaguetis. Hemos fabricado polímeros bidimensionales ordenados donde los bloques de construcción están dispuestos en una cuadrícula perfecta de hexágonos repetidos. Esto nos da un control preciso de la estructura y sus propiedades ".

Dichtel es profesor de Química Robert L. Letsinger en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern.

El estudio, "Crecimiento sembrado de estructuras orgánicas covalentes bidimensionales monocristalinas, "será publicada el 21 de junio por la revista Ciencias a través de la primera versión. (El papel aparecerá impreso en una fecha posterior).

Los COF 2-D tienen poros permanentes y una superficie extremadamente alta. Imagine el área de superficie de un campo de fútbol contenida en aproximadamente dos gramos de material, o dos sujetapapeles, Dijo Dichtel. Cada pequeño agujero tiene el mismo tamaño y forma y tiene exactamente la misma composición.

En el proceso de dos pasos, Los científicos primero cultivan "semillas" de partículas pequeñas a las que poco a poco agregan más bloques de construcción, bajo condiciones cuidadosamente controladas. La adición lenta hace que los bloques de construcción se agreguen a las semillas en lugar de crear nuevas semillas. El resultado es mayor, partículas de alta calidad formadas por grandes láminas hexagonales en lugar de un montón de cristales agregados.

"Este es principalmente un documento de síntesis, pero también medimos las propiedades que surgen solo en estas muestras de alta calidad, "Dijo Dichtel." Por ejemplo, mostramos que la energía puede moverse por toda la estructura después de que absorbe la luz, que puede ser útil en la conversión de energía solar ".

Una vez que se cultivaron los COF 2-D, sus compañeros químicos Nathan C. Gianneschi y Lucas R. Parent estudiaron cuidadosamente las partículas utilizando un microscopio electrónico. Confirmaron que las partículas son individuales y no agregadas y son perfectamente uniformes en toda la estructura.

Gianneschi es profesor de Jacob y Rosaline Cohn en el departamento de química del Weinberg College. También es profesor en los departamentos de ciencia e ingeniería de materiales y de ingeniería biomédica en la McCormick School of Engineering. Parent es becario postdoctoral en el grupo de Gianneschi. Ambos son coautores del artículo.

Próximo, Lin X. Chen y Richard D. Schaller midieron cómo uno de los materiales interactúa con la luz. Sus estudios muestran que la energía puede moverse a través de estos materiales a distancias mucho más largas que los tamaños disponibles a través de métodos antiguos.

Chen es profesor de química, y Schaller es profesor asistente de química, ambos en Weinberg. Ambos son coautores del artículo.

"Este estudio ha sido muy gratificante:cultivar con éxito estos materiales y empezar a ver su promesa, "Dichtel, que ha estado estudiando COF durante una década. "Creemos que este desarrollo permitirá el campo de la ciencia de los polímeros".